물리학

우리 몸의 수십억 개의 신경으로 구성된 매우 복잡한 시스템의 전류는 우리가 세상을 감지하고,우리 몸의 일부를 제어하고,생각할 수있게합니다. 이들은 신경의 3 개의 중요한 기능의 대표자입니다. 첫째,신경은 우리의 감각 기관 및 다른 사람들로부터 뇌와 척수로 구성된 중추 신경계로 메시지를 전달합니다. 둘째,신경은 중추 신경계에서 근육 및 기타 기관으로 메시지를 전달합니다. 셋째,신경은 중추 신경계 내에서 신호를 전달하고 처리합니다. 신경 세포의 깎아 지른듯한 수와 그들 사이의 연결의 믿을 수 없을만큼 많은 수는이 시스템이 있다는 미묘한 경이로움을 만든다. 신경 전도는 신경 세포에 의해 전달되는 전기 신호에 대한 일반적인 용어입니다. 그것은 생물 전기의 한 측면,또는 생물학적 시스템에 의해 생성 된 전기적 효과입니다. 제대로 뉴런이라고 불리는 신경 세포는 다른 세포와 다르게 보입니다—그들은 덩굴손을 가지고 있으며,그 중 일부는 수 센티미터 길이로 다른 세포와 연결합니다. (그림 1 참조.)신호는 시냅스 또는 수상 돌기를 통해 세포체에 도착하여 뉴런을 자극하여 긴 축삭을 따라 다른 신경 또는 근육 세포로 전송 된 자체 신호를 생성합니다. 신호는 다른 많은 위치에서 도착하고 다른 사람에게 전송 될 수 있으며,사용에 의해 시냅스를 조절하여 시스템에 복잡성과 학습 능력을 부여합니다.

그림 1. 수상 돌기와 긴 축삭을 가진 뉴런. 전류 형태의 신호는 수상 돌기를 통해 시냅스를 통해 세포체에 도달하여 뉴런을 자극하여 축삭을 보내는 자체 신호를 생성합니다. 상호 연결의 수는 여기에 표시된 것보다 훨씬 클 수 있습니다.

이러한 전류가 생성되고 전송되는 방법은 도체에서 자유 전하의 단순한 이동보다 더 복잡하지만,이 텍스트에서 이미 논의 된 원칙으로 이해할 수 있습니다. 이 중 가장 중요한 것은 쿨롱 힘과 확산입니다. 그림 2 는 휴식 상태에서 뉴런의 세포막을 가로 질러 전압(전위차)이 어떻게 생성되는지 보여줍니다. 이 얇은 막은 서로 다른 농도의 이온을 갖는 전기적으로 중성 인 유체를 분리하며,가장 중요한 품종은 노나+,케이+,및 씨엘-(이들은 나트륨,칼륨 및 염소 이온 표시된대로 단일 플러스 또는 마이너스 전하). 분자 수송 현상에서 논의 된 바와 같이:확산,삼투 및 관련 공정,유리 이온은 고농도의 영역에서 저농도의 영역으로 확산 될 것입니다. 그러나 세포막은 반투과성,다른 사람이 할 수 없는 동안 몇몇 이온이 그것을 교차할 수 있다는 것을 의미하. 휴식 상태에서 세포막은 케이+과 씨엘-,및 불 투과성 에 나+. 확산 케이+과 씨엘-따라서 막의 외부 및 내부에 양전하 및 음전하 층을 생성합니다. 쿨롱 힘은 이온이 전체적으로 확산되는 것을 방지합니다. 충전 층이 구축되면,같은 요금의 반발 가로 질러 이동에서 더 많은 것을 방지하고,달리 요금의 매력은 양쪽을 떠나 더 많은 것을 방지 할 수 있습니다. 그 결과 막 바로 위에 두 개의 전하 층이 있으며,쿨롱 힘에 의해 확산이 균형을 이룹니다. 전하의 작은 부분이 가로 질러 이동하고 유체는 중성(다른 이온이 존재 함)으로 유지되는 반면,전하와 전압의 분리는 멤브레인을 가로 질러 생성됩니다.

그림 2. 셀의 반투과성 막은 내부와 외부의 이온 농도가 다릅니다. 확산 이동 케이+과 씨엘–쿨롱 힘이 더 전달을 멈출 때까지 표시된 방향으로 이온. 이것은 외부에 긍정 전하의 층,안쪽에 음전하의 층,및 세포막의 맞은편에 이렇게 전압 귀착됩니다. 멤브레인은 노나에 일반적으로 불 투과성+.

그림 3. 활동 전위는 여기에 그래프로 표시된 신경 세포 내부의 전압 펄스입니다. 그것은 보이는 것과 같이 세포막의 맞은편에 이온의 운동에 기인합니다. 탈분극은 자극이 막을 투과성으로 만들 때 발생합니다. 막이 다시 노나에 불 침투성 해짐에 따라 재분극은 다음과+,및 케이+높은에서 낮은 농도로 이동. 장기적으로,능동 수송은 천천히 농도 차이를 유지하지만,세포는 심각하게 그들을 고갈시키지 않고 빠르게 연속적으로 수백 번 발사 할 수 있습니다.

전하의 분리는 세포막을 가로 질러 70 내지 90 의 전위차를 생성한다. 이것은 작은 전압이지만,생성 된 전기장(이자형=브이/디)에서 만 8 나노 두께의 멤브레인은 거대하다(의 순서에 11.)그리고 그것의 구조 및 침투성에 대한 기본적인 효력이 있습니다. 자,만약 뉴런의 외부가 0 볼트로 찍힌다면,그 내부는 -90 의 휴식 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 전압은 거의 모든 유형의 동물 세포의 막에 걸쳐 생성되지만 신경 및 근육 세포에서 가장 큽니다. 사실,세포가 사용하는 에너지의 완전히 25%는 이러한 잠재력을 만들고 유지하는 데 사용됩니다.

세포막을 따라 전류는 막의 투과성을 변화시키는 자극에 의해 생성된다. 막은 따라서 일시적으로 나 투과+,이는 다음에 러시,확산 및 쿨롱 힘에 의해 모두 구동. 노나의이 돌입+먼저 내부 막을 중화,또는 탈분극,다음은 약간 긍정적한다. 탈분극은 막이 다시 불 투과성이됩니다 나+,그리고 움직임 케이+빠르게 세포를 휴식 잠재력으로 되돌리거나 재분극합니다. 이 이벤트 시퀀스는 동작 전위라고 하는 전압 펄스를 생성합니다. (그림 3 참조.)이온의 작은 분획 만 이동,셀의 초과 농도를 고갈시키지 않고 수백 번 발사 할 수 있도록+과 케이+. 결국,세포는 생체 전기를 만드는 농도 차이를 유지하기 위해 이러한 이온을 보충해야합니다. 이 나트륨-칼륨 펌프는 활성 수송의 예로서 세포 에너지가 확산 구배 및 쿨롱 힘에 대해 막을 가로 질러 이온을 이동시키는 데 사용됩니다.

활동 전위는 세포막의 한 위치에서 전압 펄스입니다. 어떻게 세포막을 따라,특히 축삭 아래로,신경 충동으로 전달됩니까? 대답은 변화하는 전압 및 전기장이 인접한 세포막의 투과성에 영향을 미치므로 동일한 과정이 거기에서 발생한다는 것입니다. 인접한 멤브레인은 탈분극되어 그림 4 에 도시 된 바와 같이 멤브레인에 더 아래로 영향을 미칩니다. 따라서 한 위치에서 자극 된 활동 전위는 세포막을 따라 천천히(약 1 미터/초)움직이는 신경 충동을 유발합니다.

그림 4. 신경 충동은 세포막을 따라 활동 전위의 전파입니다. 자극은 한 위치에서 활동 전위를 유발하여 인접한 막의 투과성을 변화시켜 활동 전위를 유발합니다. 이것은 차례로 막에 더 아래로 영향을 미치므로 활동 전위가 세포막을 따라 천천히(전기적으로)움직입니다. 임펄스는 나+및 케이+멤브레인을 가로 질러 가고 있지만 멤브레인의 외부와 내부를 따라 움직이는 전하 파와 같습니다.

그림 1 과 같은 일부 축삭은 지방 함유 세포로 구성된 미엘린으로 덮여 있습니다. 그림 5 는 수초화되지 않은 간격(랜 비어의 노드라고 함)에 의해 특징적으로 분리 된 미엘린 외장을 갖는 축삭의 확대 된보기를 보여줍니다. 이 배열은 축삭에 많은 흥미로운 특성을 부여합니다. 미엘린은 절연체이기 때문에 인접한 신경 사이에서 신호가 점프하는 것을 방지합니다(크로스 토크). 또한 수초화 된 영역은 일반 도체 또는 저항과 같이 매우 빠른 속도로 전기 신호를 전송합니다. 세포 에너지가 그(것)들에서 이용되지 않는다 그래야,수초화된 지구에 있는 활동 잠재력이 없습니다. 수초에는 적외선 신호 손실이 있지만,전압 펄스가 전체 전압에서 활동 전위를 트리거하는 간격에서 신호가 재생성됩니다. 따라서 수초 축삭은 더 적은 에너지 소비로 신경 충동을 더 빨리 전달하며 수초화되지 않은 축삭보다 교차 대화로부터 더 잘 보호됩니다. 모든 축삭이 수초화되는 것은 아니므로 크로스 토크 및 느린 신호 전송은 신경계의 또 다른 변수 인이 축삭의 정상적인 작동의 특징입니다.

신경 섬유를 둘러싸고있는 미엘린 외장의 퇴행 또는 파괴는 신호 전달을 손상시키고 수많은 신경 학적 효과를 유발할 수 있습니다. 이 질병의 가장 두드러진 것의 한개는 중앙 신경 조직—다발성 경화증에 있는 미엘린을 공격하는 몸의 자신의 면역 계통에서 온다. 다발성 경화증 증상으로는 피로,시력 문제,팔과 다리의 약화,균형 상실,사지의 따끔 거림 또는 무감각(신경 병증)이 있습니다. 젊은 성인,특히 여성을 공격하는 것이 더 쉽습니다. 원인은 감염,환경 또는 지리적 영향 또는 유전학에서 비롯될 수 있습니다. 현재

대부분의 동물 세포는 자신의 활동 잠재력을 발사하거나 생성 할 수 있습니다. 근육 세포는 발사 할 때 수축하며 종종 신경 충동에 의해 유발됩니다. 사실,신경 및 근육 세포는 생리 학적으로 유사하며 심장과 같은 하이브리드 세포조차도 신경과 근육의 특성을 가지고 있습니다. 악명 높은 전기 뱀장어(그림 6 참조)와 같은 일부 동물은 먹이를 기절시킬만큼 큰 충격을 만들기 위해 전압이 추가되도록 근육을 사용합니다.

그림 5. 왼쪽에서 오른쪽으로 수초 축삭 아래로 신경 충동의 전파. 이 신호는 수초화 된 영역에서 에너지 입력없이 매우 빠르게 이동하지만 전압을 잃습니다. 그것은 간격에서 재생된다. 이 신호는 수초화되지 않은 축삭보다 빠르게 움직이며 다른 신경의 신호로부터 격리되어 교차 대화를 제한합니다.

그림 6. 전기 뱀장어는 근육을 구부려 먹이를 기절시키는 전압을 생성합니다. (제공:크리습,플리커)